Сердце тьмы. Ученые открыли революционный способ изучения черных дыр - фото

Сердце тьмы. Ученые открыли революционный способ изучения черных дыр

27 января 2020, 20:00

Группа астрономов впервые исследовала «корону» черной дыры

Коротко:

— как ученые рассмотрели окрестности черной дыры

— что просходит с материей, которая приближается к черной дыре

— почему начало 2030-х будет чрезвычайно важным для исследования Вселенной

Видео дня

Ученые из Европы, США, Канады и Китая детально проанализировали окрестности сверхмассивной черной дыры. Новая технология измерений позволит определять массу и скорость вращения черных дыр.

О дной из главных новостей в мире науки в прошлом году была публикация первой в истории «фотографии» сверхмассивной черной дыры. Конечно, это никакая не фотография, а изображение ее горизонта событий — условной линии за внешними границами черной дыры, после которой любой свет, попадающий туда, навсегда исчезает из нашего поля зрения.

Именно из-за этой особенности черных дыр мы можем видеть только то, что происходит вокруг них — поглощение материи, искривление света, но никак не сами черные дыры.

Это не значит, что несколько лет работы почти 350 ученых и расшифровка около 500 терабайт данных из восьми телескопов проекта Event Horizon Telescope прошли впустую. Первое изображение горизонта событий сверхмассивной черной дырой в галактике Messier 87, которая расположена примерно в 55 млн световых лет от нас, подтвердило догадки астрофизиков о существовании черных дыр в принципе, их свойствах и природе.

Ученые со всего мира продолжают исследовать эти загадочные объекты, которые формируют целые галактики, и менее чем за год после публикации изображения горизонта событий M87 они обновили исследование и рассмотрели другую сверхмассивную черную дыру еще детальнее.

NASA

Фото: NASA

Снова фото горизонта событий?



Нет. На этот раз группа астрофизиков из Великобритании, США, Канады, Китая и нескольких других европейских стран опубликовала исследование о «Динамической короне черной дыры в активной галактике с помощью рентгеновского реверберационного картирования».

Подобно большинству статей по астрофизике, это название сперва может отпугнуть, но на самом деле, внутри документа кроется информация о первом в своем роде детальном исследовании окрестностей сверхмассивной черной дыры. «Подопытная» черная дыра, которую попытались разглядеть ученые, расположена в центре галактики IRAS 13 224−3809 в созвездии Центавра. Это примерно один миллиард световых лет от Земли.

Галактика IRAS 13 224−3809 интересна тем, что она является чрезвычайно активной и ее яркое свечение в спектре рентгеновского излучения позволяют ученым полагать, что так светят не только скопления звезд, но и нечто гораздо более мощное.

Источником очень яркого рентгеновского излучения может быть сверхмассивная черная дыра, которая расположена в центре этой галактики. Исследовать это можно было только с помощью сверхмощного рентгеновского телескопа. Как раз такой нашелся у Европейского космического агентства (ESA).

Более известный как XMM-Newton — это орбитальный телескоп рентгеновского излучения, который ESA запустило в конце 1999-го. Потраченные на него почти $700 млн евро телескоп более чем отработал: несмотря на расчетный срок эксплуатации в два года, аппарат до сих пор исправен и посылает информацию на Землю.

С 2011-го по 2016-й телескоп собирал данные об отдаленных галактиках, благодаря которым ученые впервые проанализировали аккреционный диск черной дыры (видимая структура, которая возникает вследствии поглощения материи черной дырой) и обозначили ее «корону» — газовые завихрения из горячих электронов, которые образуются над аккреционным диском.

ESA
Фото: ESA

Для такого исследования астрофизики использовали метод «реверберационного картирования», который похож на процесс эхолокации у животных, и, в отличие от телескопов Event Horizon Telescope, позволяет изучать гораздо более отдаленные объекты.

«Реверберационное картирование вообще не зависит от пространственного разрешения. Вместо этого он использует световое эхо внутри объекта, чтобы передать нам о данные о самых далеких структурах», — рассказала National Geographic астроном Мисти Бенц из Университета штата Джорджия. Дело в том, что некоторые из рентгеновских лучей короны черной дыры отправляются прямо в космос, а некоторые из них «ударяются» о аккреционный диск и немного задерживаются перед выходом в окружающую среду.

Именно эта задержка и позволяет ученым засечь и исследовать остатки поглощенной материи вокруг черной дыры. Как оказалось, из-за сильного притяжения черной дырой, объекты в аккреционном диске разгоняются, закручиваются и нагреваются до миллиона градусов Цельсия, а вихри рентгеновской короны могут превышать миллиард градусов Цельсия. В таких условиях любой космический объект превращается в пыль, кроме корабля героя Мэттью Макконахи из фильма Интерстеллар, естественно.

Работа подтвердила, что за яркие вспышки рентгеновского излучения в этой галактике отвечает корона ее черной дыры. Кроме того, синхронно с яркостью вспышек меняется и размер короны. Столкновения рентгеновских вихрей с газообразным материалом в аккреционном диске также позволили исследователям определить, что сверхмассивная черная дыра IRAS 13 224−3809 весит примерно как два миллиона Солнц.

С помощью реверберационного картирования астрофизики планируют измерить скорость вращения черных дыр, что позволит узнать не только их физические параметры, но и то, как они формировались и развивались с периода зарождения Вселенной.

«Это исследование ясно демонстрирует, что будущее изучения черных дыр во многом зависит от того, чем они отличаются. Это будет в центре внимания ряда новых миссий, запускаемых в ближайшие 10 лет, которые откроют новую эру понимания этих экзотических объектов», — говорит астроном Мэтью Миддлтон из Университета Саутгемптона в Великобритании.

disrn.com

Фото: disrn.com

Борьба за черные дыры


Примечательно, что авторы исследования планируют описать с помощью своего метода сотни сверхмассивных дыр и запустить для этого еще один спутник ESA в 2031-м, — как раз на это время другая группа ученых из Великобритании запланировала испытания еще одного революционного метода изучения черных дыр.

Как уже писало НВ, представители Университета Бирмингема заявили, что они собираются впервые тщательно исследовать столкновение черных дыр сразу с помощью нескольких измерительных устройств, — рентгеновского излучения и интерферометрии.

На начало 2030-х вышеупомянутое ESA и американская NASA запланировали старт миссий Athena и LISA, в рамках которых в космос отправят важнейшие орбитальные обсерватории. Athena предполагает анализ космического пространства и поиск сверхмассивных черных с помощью сверхчувствительного 12-метрового телескопа рентгеновского диапазона. LISA, в свою очередь, — это лазерный интерферометр для изучения гравитационных волн.

Британские астрофизики полагают, что объединение данных с этих двух телескопов позволит нам на совершенно новом уровне изучить взаимодействие галактик, процесс увеличения сверхмассивных черных дыр и узнать, какую роль играет газообразная материя вокруг них.

«Перспективы одновременного наблюдения за этими объектами до сих пор не изведаны и они могут привести к огромным успехам. Это обещает быть революцией в нашем понимании сверхмассивных черных дыр и того, как они развиваются в галактиках», — говорил руководитель исследования доктор Шон МакГи.

В отличие от своих коллег, которые исследуют черные дыры с помощью реверберационного картирования, ученые из Бирмингема планируют изучить всего около 10 столкновений сверхмассивных черных дыр, которые весят от 100 тыс. до 10 млн раз больше, чем наше Солнце. Объекты, которые они выбрали, издают достаточно сильные сигналы для того, чтобы их засекли обсерватории LISA и Athena.

Ввиду того, что ученым пока мало известна природа появления и развития черных дыр, на данный момент невозможно точно спрогнозировать, какие данные мы получим после наблюдений. Кроме столкновений черных дыр в отдаленных галактиках, астрофизики могут узнать, как самые тяжелые черные дыры поглощают нейтронные звезды и другие черные дыры.

Пока телескоп Athena планируют запустить в 2031-м, но работа над этим проектом ведется с 2014-го, ну а совместную миссию LISA должны начать не раньше 2034-го.

eROSITA

Фото: eROSITA

Российско-немецкая лепта


Несмотря на не самое лучшее положение дел у российской космической корпорации Роскосмос (особенно на фоне успехов SpaceX Сrew Dragon), ученые из РФ могут помочь астрофизикам из ESA, NASA и других организаций, ведь летом прошлого года они получили в свое распоряжение уникальное научно-исследовательское оборудование.

В июле 2019-го с космодрома Байконур в Казахстане стартовала ракета-носитель Протон-М с важнейшим для науки оборудованием на борту — обсерваторией Спектр-РГ, которую разрабатывали еще с 1980-х. То из-за нехватки средств, то из-за других исследований, проект постоянно откладывали, но полгода назад, наконец, настало время «Спектра». Обсерватория включает российский спутник, основной немецкий телескоп (eROSITA) и вспомогательный российский телескоп (ART-XC).

Сообщалось, что аналогичной техники для глубокого анализа отдаленных космических объектов нет у любой другой страны: eROSITA и ART-XC в составе Спектра-РГ будут составлять подробную карту Вселенной в рентгеновском диапазоне.

Через несколько месяцев после запуска, в октябре 2019-го, Спектр-РГ вышел на свою орбиту: аппарат разместили в точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля на расстоянии примерно в 1,5 млн км от Земли. Обсерваторию пришлось отправлять так далеко, поскольку на нашей планете спектры рентгеновского излучения поглощаются атмосферой.

STScI/JHU/NASA
Фото: STScI/JHU/NASA

Рентгеновская обсерватория должна проработать следующие 6,5 лет, — 4 года в режиме сканирования неба и 2,5 года в режиме наблюдений отдельных объектов). За это время ученые должны получить комплексную информацию о развитии Вселенной, включая новые данные о наблюдениях за ранее неизвестными скоплениями галактик, нейтронными звездами, и, конечно, черными дырами.

«Это обсерватория мирового уровня. В своем классе она выполняет вот это требование — быть в десять раз лучше предыдущего в мире. Был немецкий спутник, который делал обзор неба в 1990-е, и с тех пор ничего подобного не было», — рассказал в интервью Meduza астрофизик Сергей Попов.

Данные из телескопа ART-XC будут полностью принадлежать Институту космических исследований РАН, но вот более важные наблюдения продвинутого телескопа eROSITA российским ученым придется поровну разделить с коллегами из немецкого Института внеземной физики имени Макса Планка.

Перед запуском Спектра-РГ заместитель директора Института космических исследований РАН Михаил Павлинский заявил, что с помощью этой обсерватории они планируют обнаружить несколько миллионов сверхмассивных черных дыр.

Первые данные с телескопа eROSITA позволили обнаружить скрытые звезды в Млечном Пути и изменения в сверхновой, которая взорвалась более 30 лет назад. Вероятно, уже вскоре от российских и немецких ученых стоит ожидать громкие исследования черных дыр.

Хотя, им нужно будет очень сильно постараться, чтобы обогнать астрофизиков из США, которые за последние несколько лет с помощью своего интерферометра LIGO гораздо больше продвинулись в изучении черных дыр, получили Нобелевскую премию за обнаружение гравитационных волн и, как бы там ни было, первыми опубликовали изображение горизонта событий.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях Facebook, Telegram и Instagram.

Делитесь материалом




Радіо НВ
X